CN104764931A - 一种基于dsp的谐波检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP的谐波检测装置及其检测方法，该装置包括数据采集模块、DSP芯片、CPLD芯片、人机交互模块和上位机，CPLD芯片上连接有DSP芯片以及通过以太网通讯接口连接的上位机，DSP芯片连接有数据采集模块并连接有电源模块。本发明采用DSP芯片为主和CPLD芯片为辅的数据处理装置以及DSP芯片运行加窗值FFT联合小波包变换的谐波检测方法，通过数据采集模块将信号进行快速的处理，有效提高了运行速度，能够实现大容量的计算，有效解决了现有的技术中存在的识别定位速度慢等的问题，实现了高精确度、快速识别定位、稳定性高，并具有结构和检测方法简单的特点。

Description

一种基于DSP的谐波检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于电能质量检测领域，具体涉及一种基于DSP的谐波检测装置结构。

背景技术

近年来，自动化技术的推广，各种非线性电力电子装置如变流设备、变频设备等，容量日益扩大,数量日益增多，其对电力装置的影响的直接表现是电流和电压波形产生周期性畸变，也就是产生所谓的电力谐波，谐波可使电能的生产、传输和利用的效率降低；使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至可引起电力装置局部产生并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器设备烧毁。

因此，谐波治理显得日益重要，而谐波检测是解决谐波问题的基础，因为电力装置中谐波源的类型多、分布广，如果在谐波治理之前，对各次谐波的分布、含量和其发生的起止时刻都能够清晰掌握，从而可以加以区分地对谐波进行治理，将降低治理的难度，除此之外一些其他因素如无功功率等也在影响着电能利用率的提高。

但是经市场调研发现，大多数谐波检测仪如进口的FLUKE、德州仪器等品牌及国产的如长沙威盛、致远电子等品牌价格昂贵，芯片运行效率有待提高，算法不足以实现更高精度的谐波检测，且与上位机交互效果不够稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于DSP的谐波检测装置及其检测方法，检测更精确、识别定位快速、与上位机交互稳定，以克服现有技术问题的不足。

本发明采取的技术方案为：一种基于DSP的谐波检测装置，包括用于电流电压信号采集的数据采集模块、用于谐波分析的DSP芯片、用于辅助DSP芯片的CPLD芯片，用于本地显示数据的人机交换模块和远程实时监测采集数据的上位机，所述CPLD芯片上连接有DSP芯片、人机交互模块以及通过以太网通讯接口单元连接的上位机，所述DSP芯片还连接有数据采集模块，并连接有电源模块。

优选的，上述数据采集模块包括依次连接的电压电流互感器、低通滤波器、信号调理器以及A/D转换器，所述A/D转换器与方波发生器并联，通过该连接结构将电流电压信号转换成DSP芯片能够处理的稳定可靠信号，并且DSP芯片可根据方波发生器输入的脉冲信号，得出信号的频率。

优选的，上述DSP芯片采用TMS320F28335芯片，该芯片具有32位浮点运算功能，负责实现对谐波进行分析的功能。

优选的，上述人机交互模块包括液晶显示屏及按键，分别连接到CPLD芯片，将数据显示到液晶显示屏上，通过操作按键实现指定数据的处理和传输显示，结构简单，便于操作和维护。

优选的，上述CPLD芯片采用EPM3064ATC100-10N芯片，该芯片具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化。

优选的，上述以太网通讯接口单元采用RTL8019AS芯片实现上位机与谐波检测仪的通讯功能，芯片通过PH163539芯片构成电路实现其与RJ45相连，通过CPLD芯片与DSP通讯。

一种基于DSP的谐波检测装置的检测方法，包括以下步骤：

（1）首先通过数据采集模块进行信号采集，将A、B、C三相的电流、电压信号，分别接入电流互感器、电压互感器，将信号转换成DSP芯片能够接受的信号，并接入信号调理电路，对信号进一步调理；

（2）经A/D转换将模拟信号转换为数字信号送入DSP芯片；

（3）通过DSP芯片对谐波进行分析处理，使用加窗值FFT联合小波包变换作为谐波分析算法，将采集到的信号采用加窗值FFT算法对信号进行检测，得出各次谐波的幅值大小，根据幅值大小，选择出大于基波幅值百分之一的谐波信号，用小波包变换进行分解与重构；

（4）使用小波包变换分解时使用滤波排序法，使每次分解得到的信号遵循低频在左、高频在右的原则排列，之后将信号再进行重构运算，最后得出其各次谐波电压、电流有效值，高频瞬态信号则继续由小波包变换进行重构计算，得出其各次谐波电压、电流的有效值；

（5）经过综合检测算法检测出各次谐波含有量以及电流、电压畸变率，并由DSP芯片输出给CPLD芯片，通过CPLD芯片进行人机交互及与上位机的通讯，CPLD芯片将数据输出给液晶显示屏显示，并且能通过按键切换液晶显示屏的显示界面，同时CPLD芯片通过以太网通讯接口单元将数据传输给上位机；

（6）上位机组态界面能够显示实时波形、电压畸变率、电流畸变率以及各次谐波含有量等数据，能够通过查看历史数据形式从数据库调用以往的谐波数据。

本发明的有益效果：与现有技术相比，效果如下：

（1）本发明采用DSP芯片为主和采用CPLD芯片为辅的数据处理装置，通过CPLD芯片做中间桥梁，DSP芯片仅需将命令发送给CPLD芯片，待CPLD芯片完成任务后再将数据交由DSP芯片，减少了DSP芯片的等待时间，提高了DSP芯片的运行效率，并且能有效利用DSP芯片引脚的复用功能，从而有效提高了装置运行速度，能够实现大容量的计算，有效解决了现有的技术中存在的运算量大造成的识别定位速度慢的问题，提高了准确度及实时性，并具有结构简单的特点；

（2）使用加窗值FFT算法对信号进行检测，得到各次谐波的幅值，根据各次谐波的幅值大小，选择出需要分析的谐波，用小波包变换进行分解重构，小波包变换使得检测准确度增加，并选择大于幅值百分之一的数据进行谐波分析，减少了运算量，提高了运算速度；

（3）相比以往对单纯的谐波检测仪，现有系统通过添加包括CPLD控制器的人机交互模块对谐波检测装置进行数据图像监测，提高了谐波检测仪与上位机的匹配度；

（4）小波包变换（包含分解与重构两个方面）的分解环节，在每次分解总是使分解得到的信号幅值大小排序为左低右高，避免了在分解过程中高频信号映射到低频信号中造成信号混叠。

附图说明

图1谐波检测装置结构框图；

图2设计方法实施例硬件装置结构图；

图3以太网接口单元电路原理图；

图4人机交互功能模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍。

如图1~图4，一种基于DSP的谐波检测装置，包括用于电流电压信号采集的数据采集模块、用于谐波分析的DSP芯片、用于辅助DSP芯片的CPLD芯片，用于本地显示数据的人机交换模块和远程实时监测采集数据的上位机，所述CPLD芯片上连接有谐波检测的DSP芯片、人机交互模块以及通过以太网通讯接口单元连接的上位机，所述DSP芯片还连接有数据采集模块，并连接有电源模块。

优选的，上述数据采集模块包括依次连接的电压电流互感器、低通滤波器、信号调理器以及A/D转换器，所述A/D转换器与方波发生器并联，通过该连接结构将电流电压信号转换成DSP芯片能够处理的稳定可靠信号，并且DSP芯片可根据方波发生器输入的脉冲信号，得出信号的频率。

优选的，上述DSP芯片采用TMS320F28335芯片，该芯片具有32位浮点运算功能，负责实现对谐波进行分析的功能。

优选的，上述人机交互模块包括液晶显示屏及按键，分别连接到CPLD芯片，将数据显示到液晶显示屏上，通过操作按键实现指定数据的处理和传输显示，结构简单，便于操作和维护。

优选的，上述CPLD芯片采用EPM3064ATC100-10N芯片，该芯片具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化。

优选的，上述以太网通讯接口单元采用RTL8019AS芯片实现上位机与谐波检测仪的通讯功能，芯片通过PH163539芯片构成电路实现其与RJ45相连，通过CPLD芯片与DSP通讯。

一种基于DSP的谐波检测装置的检测方法，包括以下步骤：

（1）首先通过数据采集模块进行信号采集，将A、B、C三相的电流、电压信号，分别接入电流互感器、电压互感器，将信号转换成DSP芯片能够接受的信号，并接入信号调理电路，对信号进一步调理；

（2）经A/D转换将模拟信号转换为数字信号送入DSP芯片；

（3）通过DSP芯片对谐波进行分析处理，使用加窗值FFT联合小波包变换作为谐波分析算法，将采集到的信号采用加窗值FFT算法对信号进行检测，得出各次谐波的幅值大小，根据幅值大小，选择出大于基波幅值百分之一的谐波信号，用小波包变换进行分解与重构；

（4）使用小波包变换分解时使用滤波排序法，使每次分解得到的信号遵循低频在左、高频在右的原则排列，之后将信号再进行重构运算，最后得出其各次谐波电压、电流有效值，高频瞬态信号则继续由小波包变换进行重构计算，得出其各次谐波电压、电流的有效值；

（5）经过综合检测算法检测出各次谐波含有量以及电流、电压畸变率，并由DSP芯片输出给CPLD芯片，通过CPLD芯片进行人机交互及与上位机的通讯，CPLD芯片将数据输出给液晶显示屏显示，并且能通过按键切换液晶显示屏的显示界面，同时CPLD芯片通过以太网通讯接口单元将数据传输给上位机；

（6）上位机组态界面能够显示实时波形、电压畸变率、电流畸变率以及各次谐波含有量等数据，能够通过查看历史数据形式从数据库调用以往的谐波数据。

本发明采用DSP芯片为主和采用CPLD芯片为辅的数据处理装置，通过CPLD芯片做中间桥梁，DSP芯片仅需将命令发送给CPLD芯片，待CPLD芯片完成任务后再将数据交由DSP芯片，减少了DSP芯片的等待时间，提高了DSP芯片的运行效率，并且能有效利用DSP芯片引脚的复用功能，从而有效提高了装置运行速度，能够实现大容量的计算，有效解决了现有的技术中存在的运算量大造成的识别定位速度慢的问题，提高了准确度及实时性，并具有成本低、结构简单的特点；使用加窗值FFT算法对信号进行检测，得到各次谐波的幅值，根据各次谐波的幅值大小，选择出大于幅值百分之一的谐波次数，用小波包变换进行分解重构，小波包变换使得检测准确度增加，并选择大于幅值百分之一的数据进行谐波分析，并且减少了运算量，提高了运算速度；相比以往对单纯的谐波检测仪，现有系统通过添加包括CPLD芯片的人机交互模块对谐波检测装置进行数据图像监测，提高了谐波检测仪与上位机的匹配度；小波包变换（包含分解与重构两个方面）的分解环节，在每次分解总是使分解得到的信号幅值大小排序为左低右高，避免了在分解过程中高频信号映射到低频信号中造成信号混叠。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于DSP的谐波检测装置，其特征在于：包括用于电流电压信号采集的数据采集模块、用于谐波分析的DSP芯片、用于辅助DSP芯片的CPLD芯片，用于本地显示数据的人机交换模块和远程实时监测采集数据的上位机，所述CPLD芯片上连接有DSP芯片、人机交互模块以及通过以太网通讯接口单元连接的上位机，所述DSP芯片还连接有数据采集模块，并连接有电源模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的谐波检测装置，其特征在于：所述数据采集模块包括依次连接的电压电流互感器、低通滤波器、信号调理器以及A/D转换器，所述A/D转换器与方波发生器并联。

3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的谐波检测装置，其特征在于：所述DSP芯片采用TMS320F28335芯片。

4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的谐波检测装置，其特征在于：所述人机交互模块包括液晶显示屏及按键。

5.根据权利要求4所述的一种基于DSP的谐波检测装置，其特征在于：所述CPLD芯片采用EPM3064ATC100-10N芯片。

6.根据权利要求1所述的一种基于DSP的谐波检测装置，其特征在于：所述以太网通讯接口单元采用RTL8019AS芯片。

7.采用如权利要求1~6中任一所述的一种基于DSP的谐波检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）首先通过数据采集模块进行信号采集，将A、B、C三相的电流、电压信号，分别接入电流互感器、电压互感器，将信号转换成DSP芯片能够接受的信号，并接入信号调理电路，对信号进一步调理；

（2）经A/D转换将模拟信号转换为数字信号送入DSP芯片；

（3）通过DSP芯片对谐波进行分析处理，使用加窗值FFT联合小波包变换作为谐波分析算法，将采集到的信号采用加窗值FFT算法对信号进行检测，得出各次谐波的幅值大小，根据幅值大小，选择出大于基波幅值百分之一的谐波信号，用小波包变换进行分解与重构；

（4）使用小波包变换分解时使用滤波排序法，使每次分解得到的信号遵循低频在左、高频在右的原则排列，之后将信号再进行重构运算，最后得出其各次谐波电压、电流有效值，高频瞬态信号则继续由小波包变换进行重构计算，得出其各次谐波电压、电流的有效值；

（5）经过综合检测算法检测出各次谐波含有量以及电流、电压畸变率，并由DSP芯片输出给CPLD芯片，通过CPLD芯片进行人机交互及与上位机的通讯，CPLD芯片将数据输出给液晶显示屏显示，并且能通过按键切换液晶显示屏的显示界面，同时CPLD芯片通过以太网通讯接口单元将数据传输给上位机；

（6）上位机组态界面能够显示实时波形、电压畸变率、电流畸变率以及各次谐波含有量等数据，能够通过查看历史数据形式从数据库调用以往的谐波数据。